Nature丨厦大/UCB周强组揭示相分离对基因转录调控的分子机制——刚柔并济的分子调节及药物开发新理论

责编丨迦 溆

生物大分子相变（Phase transition）或者说相分离（Phase separation）是近期生命科学领域的前沿热点研究方向，最近一段时间陆续发表了非常多的相关研究（详见BioArt此前的报道：李丕龙教授特评丨生物大分子的“相变”——简谈近期系列“相变”研究成果；三个小组的激烈竞争丨细胞质RNAi跨代遗传机制取得突破性进展）。过去一段时间，相分离领域比较受关注的蛋白是一种RNA结合蛋白FUS（上月Cell一次性发表了4篇相关论文），尽管过去有报道FUS和TAF15在相变后能够招募RNA聚合酶Pol II 的CTD参与转录的起始【1,2】，此外，最近Phillip Sharp和Richard Young等在Cell上发表观点性文章提出了一个围绕相变与超级增强子参与转录调控的模型【3】，,然而围绕转录调控的重要蛋白的相变研究仍然缺乏深入的研究。

北京时间，5月31日，厦门大学药学院讲座教授/加州大学伯克利分校教授周强课题组在Nature上在线发表了题为 “Phase separation mechanism for C-terminal hyperphosphorylation of RNA polymerase II” 的研究论文。该工作阐释了蛋白激酶中含有的组氨酸富集结构域（Histidine-Rich Domain, HRD）可以通过相位分离（Phase separation）对细胞基因转录进行调控的分子机制。该研究成果为进一步阐释该机制提供了全新的视角和概念；为以依托此机制进行的药物设计、筛选和开发提供了新思路、新靶点和新模型。因此, 该成果在理论研究及应用方面均具有重要意义。

基因转录是细胞基因表达和行使正常功能必不可少的重要环节。它的异常调控往往会引起不同疾病的发生；因此，转录调控机制及相关药物开发一直是生物医药领域研究的热点之一。人类细胞的编码基因是由RNA聚合酶II（Pol II） 负责转录，它是由一系列精密调控且高效的生化反应所组成。其中的一个重要反应是由转录激酶P-TEFb 对Pol II 的CTD结构域进行磷酸化高度修饰（Hyperphosphorylation），从而实现Pol II的高效转录延伸【4,5】。

CTD 上有许多磷酸化修饰位点，但使得P-TEFb对CTD进行高度修饰所需的识别及作用机制则尚未得到阐释。由于高效特异性的蛋白互作结构域往往具有刚性不易变的三维空间结构，我们可以将由精准蛋白互作介导的基因转录调控称为“刚性机制”。但近期的研究发现负责调控转录的蛋白常含有大量不可定义三维空间结构的片段，它们通常被称为低复杂性区域（Low Complexity Domain, LCD）或内在无序区域（Intrinsically Disordered Region, IDR）。研究表明，含有LCD/IDR的蛋白可以通过相位分离（类似日常生活中见到的油水分离）的方式聚合形成液滴状的特殊结构。这些结构可在一定的条件下从水溶液中分离出来，形成局部富集结构并极大促进存在于其中的各类生化反应的进行，同时也能与周围环境交换物质。细胞内很多无膜结构，例如核斑点（nuclear speckle）、核仁(nucleolus)、应激颗粒（Stress granules）等，极有可能都是通过相位分离的方式形成并工作的。由于LCD/IDR并不具有稳定的三维空间结构，其可塑性强，因此我们可以将由LCD/IDR介导的生物活性调控称为“柔性机制”。

周强教授课题组长期从事基因转录调控特别是关于P-TEFb功能及其活性调控的分子和信号机制方面的研究，做出了系列重要的工作【6-8】。该课题组最新的这项研究正是揭示了“柔性机制”在转录过程中的重要作用。他们发现 P-TEFb亚基CycT1及另一基因特异性转录调控因子DYRK1A上均含有进化上保守并对CTD高度修饰及P-TEFb转录功能非常重要的组氨酸富集结构域（histidine-rich domain，HRD），HRD与其上下游序列一起形成一个大的内在无序区域（IDR）。进一步研究发现该区域在体外可以通过HRD分子间的相互作用以相位分离的方式聚合形成液滴状结构。在细胞核内，CycT1和DYRK1A则依赖HRD形成斑点结构（nuclear speckle）并可发生动态融合（下图）（这些亮点的形成过去有一段时间被认为是转录因子和剪接因子的富集在核斑点）。

表达eGFP-CYCT1的HeLa细胞在延时相差显微镜下的成像

在进一步的研究中，研究人员发现 HRD又能以和CTD直接作用的方式招募并富集Pol II到HRD形成的液滴中。当用药物（1,6-hexanediol）破坏HRD形成的相变结构后，课题组发现 Pol II CTD高度磷酸化修饰也被抑制了（下图）。而此前有研究表明CycT1 Cyclin Box结构域可以用“刚性机制”的方式特异性结合P-TEFb激酶亚基CDK9，因此结合此前的研究与本次研究，周强课题组证实了CycT1通过“刚柔并济”的方式富集CDK9和Pol II到相位分离形成的液滴状结构中，从而最大化地促进Pol II CTD磷酸化及转录延伸活性。 

由于过去靶向药物设计多以“刚性机制”中的三维结构域为靶点，周强教授课题组对“柔性机制”的深入研究无疑会为药物设计提供新思路、新靶点。因此, 该成果在理论研究及应用方面均具有重要意义。 

值得一提的是，周强课题组论文在线的同时，Nature还配发了一语双关的题为“Transcription regulation enters a new phase”的评述文章，提出了许多有待进一步解决的问题。

据悉，该论文的第一作者是陆华松博士，通讯作者为周强教授。

周强教授简介：

周强，2007年起任加州大学柏克利分校分子与细胞生物学系教授，现任厦门大学讲座教授，博士生导师。周强教授的主要研究领域之一是真核及艾滋病基因转录调控机制研究。近年，真核及艾滋病基因转录延伸调控研究的突破性进展，大多得益于对正性转录延伸因子（P-TEFb）功能的研究。周强教授有关P-TEFb功能及其活性调控的分子和信号机制方面的研究，使该领域得以将基因的全局性调控与细胞生物学功能调节紧密结合。在Science、Nature、Genes & Development、Molecular Cell、EMBO J、PNAS等国际主流权威刊物上，以第一或通讯作者身份共发表了数十篇相关科学论文。其中4篇被Faculty of 1000收录为推荐参考和阅读的文献。除在科学刊物上发表研究论文之外，周强教授以其原创性发现获得美国专利2项。曾获国家基金海外杰出青年基金、美国癌症协会初级研究员奖、美国陆军乳腺癌研究计划的博士后奖学金、Hellman Family Faculty Award、The Schubert Family Assistant Professorship、The Biological Sciences Award from the Faculty Research Fund 等多项荣誉。被评为执教美国大学35强的中国大陆学子之一。并为美国NIH分子与细胞生物学基金评委会常务评委；多种国际权威刊物的编委或审稿人；Novartis疫苗与诊断公司科学顾问。

参考文献：

1、Burke, K. A., Janke, A. M., Rhine, C. L., & Fawzi, N. L. (2015). Residue-by-residue view of in vitro FUS granules that bind the C-terminal domain of RNA polymerase II. Molecular cell, 60(2), 231-241.

2、Kwon, I. et al. Phosphorylation-regulated binding of RNA polymerase II to fibrous polymers of low-complexity domains. Cell 155, 1049–1060 (2013).

3、Hnisz, D., Shrinivas, K., Young, R. A., Chakraborty, A. K. & Sharp, P. A. A phase separation model for transcriptional control. Cell 169, 13–23 (2017).

4、Harlen, K. M. & Churchman, L. S. The code and beyond: transcription regulation by the RNA polymerase II carboxy-terminal domain. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 18, 263–273 (2017).

5、Zaborowska, J., Egloff, S. & Murphy, S. The pol II CTD: new twists in the tail. Nat. Struct. Mol. Biol. 23, 771–777 (2016).

6、Fong, Y. W., & Zhou, Q. (2001). Stimulatory effect of splicing factors on transcriptional elongation. Nature, 414(6866), 929.

7、Yang, Z., Zhu, Q., Luo, K., and Zhou, Q.The 7SK small nuclear RNAinhibitsthe CDK9/cyclin T1 kinase to control transcription.Nature, 2001, 414, 317-322.

8、Zhou, Q., Li, T., & Price, D. H. (2012). RNA polymerase II elongation control. Annual review of biochemistry, 81, 119-143.

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